Hydrogen mon amour

세계의 에너지가 주로 태양과 바람에서 오는 미래를 상상해 보십시오. 이것은 많은 국가가 목표로 삼고 있는 일이지만, 이러한 에너지원에는 자연적인 리듬이 있습니다. 태양은 밤에 빛나지 않고, 바람은 항상 불지 않습니다. 날씨가 며칠 동안 계속해서 고요하고 어두울 때, 전력망은 부족 사태에 직면합니다. 전등을 계속 켜두기 위해서 우리는 그 드물고 어려운 시기들을 위해 에너지를 저장할 방법을 찾아야 합니다. 한 가지 아이디어는 물을 사용하여 전기로 만들 수 있는 가스인 수소를 이용하는 것입니다. 이 수소는 오랫동안 저장되었다가 필요할 때 다시 전력으로 바뀔 수 있습니다. 하지만 이 가스를 제조하고, 이동시키고, 다시 전기로 변환하는 과정은 많은 에너지를 손실하며, 주의 깊게 다루지 않으면 여전히 오염을 일으킬 수 있습니다. 과학자들은 이제 다른 질문을 던지고 있습니다. 이 연료를 직접 제조하는 대신, 이미 우리 발밑 땅속에 기다리고 있는 것을 찾을 수는 없을까?

이 질문은 물리학자 크리스토프 그로쟝(Christophe Grojean)과 패트릭 자노(Patrick Janot)의 새로운 에세이의 핵심이며, 그들은 거대한 입자 가속기인 FCC가 핵에너지에 크게 의존하지 않고 어떻게 스스로 동력을 얻을 수 있을지를 탐구하고 있습니다. FCC는 우주의 가장 작은 구성 요소들을 연구하기 위해 계획된 기계이지만, 또한 엄청난 양의 전기, 즉 매년 약 1.3 테라와트시(TWh)의 전력을 필요로 할 것입니다. 저자들은 이 전력의 대부분이 태양광이나 풍력 같은 재생 에너지로부터 올 수 있다고 주장하지만, 적지만 상당한 부분은 여전히 원자력 발전소로부터 와야 할 수도 있다는 점을 인정합니다. 원자력은 탄소 배출 측면에서는 깨끗하지만, 방사성 폐기물을 생성하며 이는 대중과 환경에 큰 우려를 낳습니다. 저자들은 바람과 태양이 사라지는 그런 날들을 더 잘 처리할 수 있는 방법을 찾음으로써, 남은 핵에너지의 비중을 줄이고 그와 관련된 방사성 폐기물도 함께 줄일 수 있는지 확인하고자 합니다.

저자들은 에너지 저장 옵션들을 살펴보는 것으로 시작하며, 이 문제를 하나의 여정처럼 다룹니다. 전기를 사용하는 가장 효율적인 방법은 생성될 때 즉시 사용하는 것입니다. 그것이 불가능하다면, 그다음으로 좋은 단계는 배터리에 저장하는 것입니다. 배터리는 오후부터 저녁까지 몇 시간 동안 전력을 보유하는 데 탁월하며, 에너지를 다시 꺼내는 효율도 매우 높습니다. 그러나 며칠 또는 몇 주 동안 전력을 저장하려고 하면 배터리는 너무 비싸지고 무거워집니다. 이러한 긴 공백기, 즉 "암흑 정체기(dark doldrums)"를 대비하여 저자들은 수소에 주목합니다. 수소는 큰 탱크에 장기간 저장할 수 있지만, 전기를 수소로 바꾸고, 저장하고, 다시 전기로 바꾸는 과정은 매우 비효율적입니다. 그 과정에서 원래 에너지의 절반 이상을 잃게 됩니다.

그다음 논문은 먼 곳의 태양광을 이용하여 "그린" 수소를 제조하고, 이를 가속기로 운송하여 다시 전기로 변환하는 아이디어를 검토합니다. 저자들은 이를 위해 대략 각 변의 길이가 3~4km에 달하는 거대한 태양광 단지가 필요하며, 태양광 패널에만 약 10억 유로의 비용이 들 것이라고 계산합니다. 이러한 막대한 투자에도 불구하고, 이 시스템은 원래 에너지의 약 20%만을 회수할 수 있을 뿐입니다. 그들은 이것이 최후의 수단으로서 작동할 수는 있겠지만, 가속기의 요구 사항을 충족하기 위한 주요 해결책이 되기에는 너무 비효리적이고 비용이 많이 든다고 결론짓습니다. 저자들은 수소가 마법의 연료원이 아니라, 단순히 시간이나 공간을 가로질러 에너지를 이동시키는 방법일 뿐이며, 에너지 손실과 비용 측면에서 높은 대가를 치러야 한다는 점을 분명히 합니다.

가속기에 전력을 공급하기 위해 수소를 제조하는 아이디어를 배제한 후, 저자들은 더 놀라운 가능성으로 시선을 돌립니다. 바로 '천연 수소'입니다. 오랫동안 지질학자들은 석유와 가스를 찾느라 지하에 존재하는 수소를 무시해 왔습니다. 그러나 최근 프랑스 로렌 지역의 조사에서 지표 아래 깊은 곳의 물에 녹아 있는 상당한 양의 수소가 발견되었습니다. 3,655미터 깊이까지 뚫린 한 특정 시추공에서 과학자들은 암석층에서 수소를 발견했습니다. 일부 추정치에 따르면 이 지역은 최대 4,600만 톤의 수소를 보유할 수 있다고 합니다. 만약 이 자원이 실재하고 접근 가능하다면, 이는 연료를 만들기 위해 에너지를 집약적으로 사용하는 과정을 거칠 필요가 없으므로 게임 체인저가 될 것입니다. 자연이 이미 그 일을 해놓았기 때문입니다.

저자들은 이것을 해결된 문제라고 부르는 데 신중을 기합니다. 그들은 암석 샘플에서 수소를 발견하는 것과 우물에서 끊임없이 가스가 흘러나오는 것은 매우 다르다는 점을 강조합니다. 핵심 질문은 그 저수지가 매일 유용할 만큼 충분한 수소를 생산할 수 있느냐 하는 것입니다. 현재 데이터에 따르면 수소는 존재하지만, 아직 시설 규모의 산업적 유량을 보여준 사례는 없습니다. 저자들은 만약 이 자원을 지속 가능하게 채굴할 수 있다면, 이것이 가장 깨끗한 에너지원 중 하나가 될 수 있다고 제안합니다. 이는 화석 연료로부터 만든 수소보다 탄소 발자국이 훨씬 낮을 것입니다. 또한 핵 에너지와 관련된 방사성 폐기물을 생성하지 않으며, 전기로 수소를 만드는 데 따르는 막대한 에너지 손실도 필요하지 않습니다.

이 에세이는 실질적인 경로를 제안합니다. 저자들은 가속기 운영 기구인 CERN이 "선도 고객(launch customer)" 역할을 할 수 있다고 제안합니다. 천연 수소로부터 생성된 전기를 구매하겠다는 장기 계약을 체결함으로써, 그들은 수소 산업의 발전을 지원할 수 있습니다. 이는 과학자와 엔지니어들이 필요한 인프라를 구축하고, 유량을 테스트하며, 그 자원이 실재함을 증명할 수 있는 확신을 줄 것입니다. 그 타임라인은 잘 맞물려 있습니다. 만약 2020년대 후반에 계획된 시험들이 성공한다면, 이 산업은 FCC가 가동을 시작하는 2048년까지 공급 준비를 마칠 수 있습니다.

궁극적으로, 이 논문은 천연 수소가 모든 것을 구원할 것이라는 약속이 아니라, 이를 진지하게 조사하라는 촉구입니다. 저자들은 모든 수소가 인간에 의해 제조되어야 한다고 가정하는 것을 멈춰야 한다고 주장합니다. 대신, 지구가 수천 년 동안 생산해 온 수소를 찾아야 합니다. 그들은 핵융합 에너지나 다른 첨단 기술들이 여전히 먼 미래에 있는 반면, 천연 수소는 손에 잡히는 즉각적인 가능성을 제공한다고 결론짓습니다. 이제 과제는 희망에서 실질적인 데이터로 나아가는 것입니다. 유량을 측정하고, 탄소 발자국을 확인하며, 이 "화이트 골드(white gold)"가 정말로 우리가 의지할 수 있는 자원인지 결정하는 것입니다. 답은 아직 알려지지 않았지만, 저자들은 이것이 질문할 가치가 있는 문제이며, 우리의 미래를 어떻게 밝힐지를 바꿀 수 있는 문제라고 믿고 있습니다.